金属氧化物半导体发热材料及其制备、半导体发热元件以及污泥固废脱水干化减量化系统和方法

本发明属于污泥固废深度脱水减量化，具体涉及金属氧化物半导体发热材料及其制备、半导体发热元件以及污泥固废脱水干化减量化系统和方法。

背景技术：

1、污水处理厂产生的机械脱水污泥含水率通常为78%~82%，体积大、有机质含量高、易腐败发臭，直接填埋占用大量土地，焚烧处置能耗高、二恶英排放风险大，污泥深度干化减量化是行业刚需。现有污泥干化技术主要分为热风蒸汽干化、热泵低温干化、电阻加热干化三类。

2、其中，热风蒸汽干化依靠高温烟气换热，热损失可达35%~45%；污泥表层快速失水结壳，内部水分难以析出，干化均匀性差；干化温度普遍高于100℃，污泥有机质受热分解，产生大量硫化氢、挥发性有机酸等恶臭废气，严重腐蚀设备，尾气处理投资与运行成本高；依赖天然气、燃煤热源，碳排放强度高。热泵低温干化依靠空气对流换热，热风难以穿透高粘性污泥，干化周期长；系统风机循环能耗占整体能耗40%以上；循环热风携带污泥细微粉尘，存在粉尘爆炸安全隐患；换热器长期接触含氯、含硫挥发气体，极易结垢腐蚀，设备维护频繁。传统电阻丝、普通陶瓷加热管无自限温功能，局部热量堆积易超温引燃污泥有机质，安全风险高；电热转换效率仅70%~78%，能量利用率低；金属加热基材耐腐蚀性差，长期污泥工况下发热功率快速衰减，更换成本高。

3、综上，目前现有污泥干化技术存在能耗高、干化不均、安全隐患大、发热元件寿命短、尾气处理负荷大等缺陷，无法广泛应用于污泥深度减量化。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供金属氧化物半导体发热材料及其制备、半导体发热元件以及污泥固废脱水干化减量化系统和方法，本发明由金属氧化物半导体发热材料制成半导体发热元件，其具备高电热转换效率、稳定低温自限温、耐酸碱腐蚀、长期功率衰减小、安全环保的特性，适用于市政污水厂生化污泥、化工污泥、印染污泥、电镀污泥等各类高含水污泥低温密闭烘干减量处置。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明提供了一种金属氧化物半导体发热材料，包括以下质量百分比的组分：

4、主相半导体粉体75~85%、离子掺杂改性剂5~12%、低温烧结助剂3~8%、无机粘结载体2~5%；所述主相半导体粉体包括二氧化钛（tio2）、氧化锌（zno）和氧化镓（ga2o3）；所述离子掺杂改性剂包括三氧化二锑（sb2o3）、二氧化锰（mno2）、氧化钇（y2o3）；所述低温烧结助剂包括二氧化硅与硼酸盐玻璃粉；所述无机粘结载体包括高岭土与氧化铝。

5、优选的，所述二氧化钛、氧化锌和氧化镓的质量比为（5~7）：（2~4）：1；所述三氧化二锑、二氧化锰和氧化钇的质量比为：（1~3）：（0.5~1.5）：（0.3~1）；所述二氧化硅与硼酸盐玻璃粉的质量比为1：（2~4）；所述高岭土与氧化铝的质量比为（1~3）：1。

6、本发明提供了上述技术方案所述的金属氧化物半导体发热材料的制备方法，包括以下步骤：

7、将主相半导体粉体、离子掺杂改性剂、低温烧结助剂和无机粘结载体进行球磨混合，得到混合前驱粉体；

8、将所述混合前驱粉体和水性无机粘结剂进行混炼，得到混合物料；

9、将所述混合物料进行模压成型，得到发热坯体；

10、将所述发热坯体进行烧结，得到所述金属氧化物半导体发热材料。

11、优选的，所述球磨混合为行星式球磨混合，所述行星式球磨混合的条件包括：分散介质为乙醇，球磨时间为4~6h；所述球磨混合后直接得到湿球磨物料，还包括将所述湿球磨物料依次进行干燥、破碎和筛分，得到所述混合前驱粉体，所述筛分的筛网优选为150~250目；所述水性无机粘结剂为硅溶胶，所述水性无机粘结剂的固含量为30±2%；所述水性无机粘结剂干基固形物质量占所述混合前驱粉体质量的百分比为3~7wt%。

12、优选的，所述模压成型的压力为12~16mpa；所述发热坯体的形貌包括平板、管状和弧形中的一种或多种；所述烧结包括依次进行第一阶段保温烧结、第二阶段保温烧结和第三阶段保温烧结，所述第一阶段保温烧结的温度为220~280℃，保温时间为1~2h，所述第二阶段保温烧结的温度为580~630℃，保温时间为2~3h，所述第三阶段保温烧结的温度为880~930℃，保温时间为3~4h。

13、本发明提供了一种半导体发热元件，包括半导体发热基体，设置在所述半导体发热基体两侧表面的电极层，包覆半导体发热基体剩余表面和电极层的耐腐保护层；所述半导体发热基体为上述技术方案所述的金属氧化物半导体发热材料或者上述技术方案所述的制备方法制备得到的金属氧化物半导体发热材料。

14、本发明提供了上述技术方案所述的半导体发热元件在污泥固废脱水干化减量化中的应用。

15、本发明提供了一种污泥固废脱水干化减量化系统，包括污泥进料单元，与所述污泥进料单元连通的干化处理单元，与所述干化处理单元的气体出口连通的冷凝尾气处理单元和温度控制器；所述干化处理单元包括干化腔体、搅拌机构和多个上述技术方案所述的半导体发热元件，所述搅拌机构包括搅拌轴和与搅拌轴连接的搅拌桨叶，所述搅拌桨叶设置在所述干化腔体内，所述半导体发热元件设置在所述干化腔体的内侧壁和搅拌桨叶上；所述温度控制器与所述半导体发热元件电连接。

16、优选的，所述污泥进料单元包括污泥料仓和螺旋进料机，所述螺旋进料机连接所述污泥料仓和干化腔体；所述冷凝尾气处理单元包括与所述干化腔体气体出口连通的冷凝塔，与所述冷凝塔液体出口连通的冷凝罐和与所述冷凝塔气体出口连通的气体吸附净化箱；所述温度控制器为pid温控仪。

17、本发明提供了一种污泥固废脱水干化减量化方法，采用上述技术方案所述的污泥固废脱水干化减量化系统对污泥进行处理。

18、本发明提供了一种金属氧化物半导体发热材料，包括以下质量百分比的组分：主相半导体粉体75~85%、离子掺杂改性剂5~12%、低温烧结助剂3~8%、无机粘结载体2~5%；所述主相半导体粉体包括二氧化钛（tio2）、氧化锌（zno）和氧化镓（ga2o3）；所述离子掺杂改性剂包括三氧化二锑（sb2o3）、二氧化锰（mno2）、氧化钇（y2o3）；所述低温烧结助剂包括二氧化硅与硼酸盐玻璃粉；所述无机粘结载体包括高岭土与氧化铝。本发明通过三元复合金属氧化物作为主相半导体粉体，搭配离子掺杂改性剂、低温烧结助剂和无机粘结载体，得到的金属氧化物半导体发热材料的电热转换性能优异，金属氧化物半导体发热材料的电热转换效率≥92%，自限温恒温区间为55~75℃，体积电阻率为103~105ω·cm，低温升温速率≥3℃/min，经2000h酸性污泥挥发气腐蚀试验后功率衰减≤6%；能够实现电能近乎高效转化为热能，能量无效损耗低。本发明由所述金属氧化物半导体发热材料制成半导体发热元件，其具备高电热转换效率、稳定低温自限温、耐酸碱腐蚀、长期功率衰减小的特性，适用于市政污水厂生化污泥、化工污泥、印染污泥、电镀污泥等各类高含水污泥低温密闭烘干减量处置。

19、本发明提供了上述技术方案所述的金属氧化物半导体发热材料的制备方法。本发明提供的制备方法工艺简单、原料成本低，适合工业化批量生产；

20、本发明提供了一种污泥固废脱水干化减量化系统。与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

21、本发明提供的系统节能效果显著。本发明采用的半导体发热元件的电热转换效率≥92%，无传统热风干化、热泵干化的风机循环能耗，单位污泥处理电耗降至70~85kw·h/t，相比常规热泵干化节能30~40%；且半导体发热元件具备自限温特性，无需持续满功率加热，间歇运行可进一步降低用电成本。

22、本发明提供的系统运行安全无二次污染。本发明采用干化处理单元全程密闭低温干化，最高温度不超过75℃，低于污泥有机质热裂解温度，杜绝粉尘爆炸、污泥自燃风险；无高速热风循环，彻底消除干化扬尘污染；低温环境下硫化氢、挥发性有机酸等恶臭物质生成量降低60%以上，尾气处理设备体积大幅缩小，投资与运维成本降低。

23、本发明提供的系统使用的半导体发热元件耐腐蚀、使用寿命长。本发明使用的半导体发热元件采用三元复合金属氧化物晶格搭配外层耐腐保护层，可耐受污泥释放的硫化氢、有机酸、氯离子长期腐蚀，发热元件连续稳定运行寿命≥8000h，远优于普通金属加热管与单一氧化物发热体。

24、本发明提供的系统设备适配性强、运维便捷。本发明中半导体发热元件可加工为平板、弧形、管状、桨叶嵌入式多种规格，可全新配套桨叶、圆盘、带式污泥干化机，也可对现有传统干化设备改造升级；采用模块化设计，单块发热元件故障可单独拆装更换，无需整机停机，设备利用率高。

25、本发明提供的系统纯电加热，不消耗燃气、燃煤等化石燃料，无燃烧碳排放；污泥深度减量后大幅降低填埋、焚烧、转运过程的碳足迹，绿色环保，安全性高。

26、综上，本发明提供的污泥固废脱水干化减量化系统实现了污泥密闭低温面接触烘干，大幅降低能耗、消除扬尘与爆炸风险、减少恶臭污染物产出，完成污泥深度减量化。适用于市政污水厂生化污泥、化工污泥、印染污泥、电镀污泥等各类高含水污泥低温密闭烘干减量处置。